Un détecteur d'ondes gravitationnelles ne capte pas seulement le grondement des fusions, mais aussi le faible éclat lorsqu'une étoile ou un nuage de gaz plonge dans un trou noir supermassif. Cette plongée, comme la chute d'une pierre dans un puits, engendre des ondes sur toutes les fréquences à la fois, et dans ce spectre est encodée la nature du puits lui-même. Si, au fond, au lieu d'un gouffre sans fond, se trouve une plaque réfléchissante, l'écho reviendra différemment.
Les physiciens soupçonnent depuis longtemps que tous les candidats trous noirs ne possèdent pas un véritable horizon des événements. À la place, il pourrait exister une surface réfléchissante à une distance rs=2M(1+ε), où ε est un ajout minuscule, pouvant aller jusqu'à la longueur de Planck. De tels objets sont appelés imitateurs de trous noirs. Jusqu'à présent, on les cherchait par des résonances dans la phase d'approche lente ou par des signaux d'écho après la fusion, mais ces deux méthodes sont limitées aux fréquences de la dernière orbite stable. La nouvelle étude propose un autre outil : le spectre de la plongée elle-même, qui regarde au-delà de ce seuil.
Les auteurs ont construit un modèle de substitution : au lieu d'une fusion complète, on considère la chute directe d'une particule légère sur un objet massif avec une surface réfléchissante. Les perturbations de la métrique sont décrites par les équations de Regge–Wheeler et de Zerilli, et le spectre d'énergie est calculé via la fonction de Green. Les calculs pour les modes (ℓ,m)=(2,2) avec différents coefficients de réflexion R (de 1 à 10⁻³) et paramètres ε (de 10⁻⁴ à 10⁻¹⁰) ont révélé deux signatures robustes. Aux basses fréquences apparaît un peigne de résonances avec un espacement δω=π/(2M|log ε|). La grande surprise se trouve au-dessus du seuil Mωth≈0.39 : pour un trou noir, le spectre décroît exponentiellement, tandis que pour un imitateur, une contribution supplémentaire apparaît, proportionnelle à |R|². Avec R=1 et Mω≈0.7, l'énergie dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle d'un trou noir, et cet excès dépend à peine de ε et du moment angulaire de la particule.
Cet excès haute fréquence rappelle un sondeur qui n'écoute pas le signal réfléchi, mais l'éclat même de la chute. Il est robuste aux détails de la source et à la position de la surface, ce qui en fait un indicateur fiable de l'absence d'horizon. Bien qu'une plongée isolée dans un événement à rapport de masse extrême donne un faible rapport signal sur bruit, l'accumulation cohérente de nombreux événements pourrait rendre cette signature détectable. LISA, dont le lancement est prévu dans les années 2030, pourrait accumuler suffisamment de ces plongées d'étoiles tombant sur des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.
La prochaine étape est l'analyse temporelle complète de la forme d'onde plongée–fusion–sonnerie pour les imitateurs, avec une prise en compte correcte de la source après avoir traversé la surface. Cela nécessitera des méthodes de fenêtrage soignées pour éviter les artefacts dus à la coupure de la source. Une autre direction est la généralisation à la plongée depuis la dernière orbite stable et aux objets en rotation. Si les futures données montrent un excès haute fréquence, cela deviendrait la première preuve observationnelle que l'horizon des événements n'est pas la fin de la physique, mais une porte.
Le seuil Mωth≈0.39 coïncide presque avec la partie réelle du mode quasi-normal fondamental d'un trou noir de Schwarzschild. Pour un trou noir supermassif de masse 10⁶ masses solaires, cette fréquence tombe dans la plage la plus sensible de LISA, soit environ 0.01 Hz.
L'idée d'une surface réfléchissante à la place de l'horizon fait écho au roman de Stanisław Lem « Fiasco », où un trou noir n'est pas un gouffre sans fond mais un objet à la structure interne non triviale, et au film « Interstellar », où des données provenant de sous l'horizon sont transmises par des effets quantiques. Dans les deux cas, l'horizon n'est pas la fin de la physique, mais une porte.